基于LSB算法的圖像數字嵌入技術軟件系統設計

羅 娜

(重慶科創職業學院,重慶 402160)

0 引言

嵌入技術的形成,以更強信息安全為視角,為系統建設提出全新方向。嵌入技術是借助人們視覺能力,對冗余、數字各項文件資料進行加密保護,以信息變換為加密方式,在公開信息傳輸路徑進行重要資料的傳輸。嵌入技術成功將重要資料寫入載體。載體類型有圖像、文本、音頻等。現階段,嵌入技術在系統使用后,能夠有效進行病毒追蹤、數據加密、數據防篡改等保護工作,獲得廣泛應用。

1 信息嵌入技術

1.1 技術模型

嵌入技術能夠有效隱藏重要圖像信息,將其存放在對圖像信息干擾作用不大的載體中[1]。在信息嵌入時,信息傳輸人員使用密鑰,有效完成重要圖像信息的加載,由此獲得載密文件。加載重要資料后,在信息傳輸期間,可能會承受其他方信息竊取與攻擊問題,由此形成信息傳輸未完成的問題。在載密文件傳輸完成時,進行重要資料的有效提取,信息接收人員可使用密鑰,有效提取重要資料。

1.2 性能指標

1.2.1 文件隱藏性

本設計結合載體圖像各項資料特征,比如信息相關性、資料統計性等,進行圖像信息的嵌入加密。在載體文件中載入重要資料后,對于載體圖像自身質量不發生干擾作用,兼具信息傳輸的載體隱蔽性。與此同時,保密資料的添加,對于載體文件自身質量不具有改變能力,更不會更改載體文件的數據資料統計方式。在此技術條件下,圖像檢測技術無法確定載密文件中的重要資料。一般情況下,對于加密圖像進行信息檢測時,主要使用誤差M、信噪比的最大值P,檢測公式為:

在(1)與(2)兩個公式中,載密圖像的寬度為W、高度為H,載密圖像的外裝像素為Xj,k,載密圖像的保護資料像素為X′j,k。如果圖像清晰度不高,則信噪比的最大值P相對較小,M誤差結果偏大。如果圖像清晰度較高,則信噪比的最大值P相對較大,M誤差結果偏小。

1.2.2 數據資料容量大

在加密通信途徑中使用信息嵌入技術,能夠提升資料交互能力,便于每組加密載體文件中容納更多重要資料。嵌入技術的資料容量兼容能力,是反映嵌入技術性能的關鍵指標,能夠在重要資料隱藏后,對文件進行保密傳輸,確保載體圖像文件中能夠有效兼容重要資料,此時能夠獲得比特參數的最大值。

1.3 LSB嵌入算法

在嵌入技術范圍內,LSB算法應用時間較長,圖像文件中載入重要數據時,采取的一般加載方式是:在空域范圍內進行LSB參數的更迭與替換。在LSB嵌入算法使用時,圖像文件類型以BMP為主。在此圖像中含有若干個像素成分,以灰度圖像為例,每組像素均擁有特定的灰度值。此參數范圍介于0與255之間,0對應的是黑色,255表示白色,在灰度值逐級增加時,證明圖像亮度逐漸增強。每個圖像文件的灰度屬性,采用二進制法給予表示[2]。

2 圖像嵌入分析技術

2.1 嵌入分析

圖像嵌入分析技術是對應圖像資料寫入的反向檢測方法,旨在確定載入保密資料的文件中的重要資料存在性,用于排查圖像資料中含有重要資料的可能性。圖像信息的寫入分析技術,在實踐應用時,能夠驗證嵌入技術的成熟性,借助檢測與評價方式,獲取嵌入技術重要資料傳輸的安全性。

2.2 性能指標

2.2.1 準確性

圖像嵌入分析方法,分析結果的準確性,是測定重要文件準確性的關鍵依據,是嵌入分析算法中的關鍵評價指標。一般情況下,分析結果準確性是使用虛警比值、錯漏申報概率、檢測準確率3個參數給予反饋。

2.2.2 實用性

在圖像嵌入分析層運行時,分析結果的實用性獲得了廣泛應用,可借助允許現實、檢測結果平穩性、程序運行情況進行評價。在此種情況中,檢測分析的動態情況,能夠獲取一次嵌入分析時間。分析時間較短時,證明此種嵌入算法具有較高的實時反饋能力。

2.3 卡方檢測技術

LSB算法給出了嵌入分析的卡方檢測流程。通常情況下,LSB算法借助圖像文件中最小效位,確保重要資料載入效果。或者說,載密圖像的灰度屬性,在未發生變化時,可能完成了2i向2i+1的轉變。

設定載密圖像文件的灰度屬性為j,像素參數為hj。在圖像文件中如果未添加保密資料,此時h2i與h2i+1的參數結果存在較大差異。換言之,如果圖像文件為載密狀態,h2i與h2i+1兩個參數趨于接近。保密資料在載入前期,對其進行了加密處理,加密方式:0與1兩個參數隨機排布形成比特流,有50%概率的加密結果為0,1。

公式(4)中q表示圖像加載的判斷參數。如果載密圖像對應的灰度參數結果為2i,此時給予q的作用為1/2。如果圖像灰度參數為2i+1,此時給予q的作用為-1/2。在加密圖像文件中,灰度屬性為2i,2i+1的數量為2倍。如果各圖像文件中均擁有1比特加密資料,則在灰度值為2i、2i+1時的可能性僅有50%。當2倍的結果較大時,可使用極限定理進行處理。在極限處理中能夠獲取N(0,1)的分布情況,如果分布為正態,可使用公式(5)的卡方分布算法。

公式(5)中r表示圖像過載的判斷參數,k表示2i與2i+1組合個數,=0時,不予考慮。如果r值較小,證明圖像過載的概率較高;如果r值較小,說明圖像載入重要資料的概率較小。則圖像過載概率的算法為公式(6)。

公式(6)中的A表示xk-12,在p趨近于1時,證明圖像文件含有加密資料。

3 以LSB算法為技術視角,嵌入多色圖像信息的算法

3.1 嵌入方法

圖像資料加密處理含有寫入與提取兩個程序。資料傳送方使用LSB算法,將重要資料保存在圖像文件中。算法中實際使用的圖像規格長寬均為512,圖像為多彩類型。

3.2 提取方法

在重要資料提取時,相當于是資料寫入的反向過程。為確保資料提取的準確性,提取順序類似于寫入過程。資料接收、信息傳送兩個主體,借助個人通信路徑,能夠有效確定密鑰類型,使用LSB算法確定寫入重要資料的具體像素。

假如,需要寫入的重要資料,其加載圖像參數分別為51,96,31,獲得參數的對應比特流:51對應1,1;96對應1,1;31對應1,0。使用極限定理獲取3組比特流的確定參數,即1,1,0。如果加密資料分別為1,1,0,載密參數分別為51,96,31,則可獲得加密資料為:加密資料2=比特流參數2=(0,0,1)2。

3.3 系統運行

在嵌入系統運行時,使用長寬均為256的多彩圖像進行資料寫入與提取,總共進行4組圖像加密處理,分別從人像、風景、植物等類型,進行多彩圖像載體選擇。經系統運行發現:LSB算法能夠確保加密圖像文件使用的有效性,減少數據丟失問題。

4 結語

綜上所述,以LSB算法為技術視角,形成的信息嵌入技術融合了多類學科專業內容,借助載體時空特征,在各類載體中嵌入了重要資料,形成載密單元。在信息嵌入完成時,資料竊取人員無法掌握重要信息的所在位置,達成信息保護、防竊取、防篡改的圖像資料保護目標。為此,在未來可深入拓展LSB嵌入技術的適用范圍,在圖像信息加密保護的基礎上,對音頻、視頻等復雜類型文件加以保護。